Home - Rasfoiesc.com
Educatie Sanatate Inginerie Business Familie Hobby Legal
Doar rabdarea si perseverenta in invatare aduce rezultate bune.stiinta, numere naturale, teoreme, multimi, calcule, ecuatii, sisteme



Biologie Chimie Didactica Fizica Geografie Informatica
Istorie Literatura Matematica Psihologie

Fizica


Index » educatie » Fizica
» Studiul caracteristicilor spectrale ale surselor de lumina


Studiul caracteristicilor spectrale ale surselor de lumina




Studiul caracteristicilor spectrale ale surselor de lumina

I. Scopul lucrarii

Cunoasterea caracteristicilor fizice constructive ale surselor de radiatie optica

Investigarea caracteristicilor emisive de baza ale surselor luminoase




Studiul distributiei spectrale ale surselor cu emisie optica necoerenta: lampa incandescenta cu filament de wolfram, lampa de cuart cu gaz halogen, lampa spectrala de sodiu, lampa spectrala cu vapori de Cd-Hg, lumina descarcarii electrice in gaze rarefiate (in amestecuri de gaze rarefiate Ar-N2-C2H2- CH4)

Studiul monocromaticitatii spectrale ale radiatiei coerente emisa de laserul cu gaz He-Ne

II. Considerente teoretice

II.1. Aspecte teoretice si experimentale privind originea emisiei optice

Soarele constituie sursa naturala a luminii si a caldurii radiate in Univers. Soarele asigura pe suprafata Pamantului o densitate de putere cca. 0,133 . 0,14 , prin care genereaza conditiile necesare existentei vietii biologice. Soarele emite radiatia din suprafata stelara numita fotosfera, care realizeaza o distributie de radiatie corespunzatoare corpului absolut negru aflat la temperatura de cca. T 6000 K.

Radiatiile optice ocupa o regiune ingusta din spectrul foarte larg al radiatiei electromagnetice. Lumina este o radiatie electromagnetica cu lungimi de unde l cuprinse intre cca. 400 nm si 750 nm, care realizeaza stimulul nervilor receptori din retina ochiului prin care se produce in creier senzatia vizuala. In urma descompunerii luminii naturale cu ajutorul elementelor optice dispersive rezulta un spectru optic continuu, care se intinde de la violet la rosu purpuriu (figura 1).

Fig.1. Spectrul optic vizibil continuu al Soarelui cu marcarea lungimilor de unde pentru diferite nuante de culori

Sursele luminoase artificiale sunt de regula corpuri solide incandescente excitate pentru emisie de radiatie. Dar care este originea emisiei de lumina?

In conceptia teoriei cuantice a atomilor, chiar in formularea ei initiala data de fizicianul danez N. Bohr (1916) pentru atomul de hidrogen, in centrul atomilor se afla nucleul atomic de masa M cu sarcina electrica +Ze, iar in jurul acestuia graviteaza un numar de Z electroni, fiecare de masa m si de sarcina –e elementara negativa. Conform teoriei electrodinamice clasice, miscarea accelerata a electronului pe orbite stationare este guvernata de echilibrul fortelor electrostatice, care actioneza drept forta centripeta (figura 2):

Fig.2. Orbita stationara a electronului in atomul de hidrogen dupa modelul clasic a lui Bohr (1916)

Conform presupunerii lui Bohr sunt posibile pentru miscarea electronilor numai acele orbite circulare pentru care momentul impulsului electronului este egal cu un numar intreg al cantitatii elementare , numita “cuanta de actiune”:

Aceasta afirmatie se traduce prin faptul ca, electronii pot avea doar orbite circulare cu raze cuantificate

respectiv viteze cuantificate, exprimate prin relatia:

,

unde masa electronului , sarcina ,, constanta lui Planck, constanta lui Boltzmann.

Ipoteza lui Bohr referitoare la emisia luminii postuleaza tranzitia intre starile energetice cuantificate si identifica energia cuantei numita energia “fotonului” cu diferenta energiilor corespunzatoare orbitelor cuantificate

In urma evaluarii calculelor prin inlocuirea constantelor mentionate, pentru atomul de hidrogen obtinem urmatoarea expresie a frecventei radiatiei electromagnetice:

unde numerele intregi si reprezinta numerele cuantice ale orbitelor intre care are loc tranzitia electronului.

Spectrul atomului de hidrogen studiat de catre T. Lyman a confirmat corectitudinea ipotezelor lui Bohr, (figura 3 prezinta fotografia spectrului seriei Lyman respectiv seriei Balmer al atomului de hidrogen), referitoare la emisia radiatiei prin tranzitia electronilor de pe nivele energetice superioare pe nivele energetice inferioare.

Fig. 3. Prezentarea primelor doua serii spectrale din spectrul atomului de hidrogen

corespunzatoare seriei Balmer (a) din domeniul vizibilului si a seriei Lyman (b) din

domeniul ultraviolet indepartat

Energia totala a electronilor de pe orbite Bohr este suma energiei potentiale electrostatice si a energiei cinetice:

in care figureaza doar constantele atomice ale atomului de hidrogen, respectiv numarul intreg n numit numar cuantic principal. Constantele grupate sub termenul , permite sa scriem expresia cuantificarii energiei .

Reprezentarea nivelelor energetice ale atomului de hidrogen (figura 4) prin linii de nivel distantate pe scara energiilor stationare, simbolizeaza posibilitatea emisiei sau absorptiei energiei fotonilor la tranzitia electronilor intre nivelele energetice respective: .

Fig. 4. Diagrama nivelelor energetice ale atomului de hidrogen cu indicarea seriilor spectrale caracteristice

Emisia si absorptia radiatiei electromagnetice rezonante demonstreaza natura cuantica a procesului, pe care o putem exemplifica prin absorbtia care apare in spectrul continuu de emisie al radiatiei Solare. In spectrul continuu de emisie a Soarelui au fost identificate anumite linii negre (numite linii Fraunhofer), observate printr-o prisma optica (figura 5).

Fig. 5. Identificarea liniilor spectrale de absorbtie in radiatia continua emisa de fotosfera Solara    (T 6000 K). Absenta radiatiei continue la anumite lungimi de unde se datoreaza absorbtiei in vapori aflati la o temperatura mai joasa a stratului atmosferei coroanei Solare (T 5000 K)

In laborator se poate demonstra experimental, de exemplu in cazul atomilor de sodiu 11Na aflati in stare excitata pentru emisie de radiatie caracteristica cu lungimile de unda Å si Å, daca aceasta radiatie cade pe atomii de sodiu aflati in starea fundamentala se produce absorptia prin care electronul de valenta al atomului de sodiu va fi ridicat pe nivelul energetic superior.

Starile excitate ale atomilor dupa un timp de cca. 10-8 secunde se vor dezexcita prin eliberarea de energie. La temperaturi reduse atomii ocupa stari energetice inferioare, iar cu cresterea temperaturii creste populatia atomilor aflati in stari energetice superioare. La temperaturi constante se stabileste un echilibru dinamic intre numarul atomilor ce se excita termic pentru un nivelul energetic dat, respectiv numarul atomilor care se dezexcita din starea data catre starile energetice inferioare.

In situatia in care atomii poseda stari energetice metastabile este posibil ca populatia electronica pe starile energetice metastabile sa depaseasca cu multe ordine de marime numarul electronilor din alte stari energetice excitate. Inversarea de populatie prin absorbtia fotonilor avand energie mai mare decat diferenta de energie intre starea fundamentala si energia starii metastabile a atomilor realizeaza un efect de pompaj optic, respectiv prin dezexcitarea stimulata putem genera efecte cuantice amplificate pentru eliberarea radiatiei electromagnetice coerente amplificate, valorificate in emisia radiatiei laser.

II.2. Caracterizarea surselor luminoase. Distributia spectrala a radiatiei emise de diferite surse luminoase

Modelul utilizat in stabilirea legilor radiatiei termice a fost corpul absolut negru. Corpul absolut negru are proprietatea de emisie si de absorbtie identica pentru toate lungimile de unda, adica este un absorbant ideal caracterizat prin coeficientul de absorbtie . Modelul corpului absolut negru a fost aproximat printr-o cavitate prevazuta cu un orificiu mic, cavitate acoperita in interior cu negru de fum pentru absorbtia cat mai completa a radiatiilor.

Kirchhoff (1859) a definit relatia de legatura intre puterea de emisie si puterea de absorbtie a corpului absolut negru:

S-a constatat ca raportul dintre puterea de emisie si puterea de absorbtie a unui corp nu depinde de natura corpului, acesta este o functie universala de temperatura corpului si de lungimea de unda a radiatiei. Intrucat puterea de absorbtie pentru corpul absolut negru este unitara, raportul de mai sus este egal cu , adica reprezinta puterea de emisie a corpului absolut negru.

Pentru descrierea dependentei puterii de emisie a corpului absolut negru aflat la diferite temperaturi in functie de lungimea de unda, Planck (1900) considera atomii ca niste oscilatori armonici de frecventa , care in stare energetica excitata emit cuanta de energie . Planck propune o relatie empirica prin care a reusit sa descrie corect curba experimentala observata pentru radiatia corpului absolut negru:

unde este viteza luminii, este constanta lui Boltzmann, este constanta lui Planck.

Curbele experimentale obtinute pentru radiatia corpului absolut negru aflat la temperaturi diferite sunt conforme cu legea teoretica formulata de W. Wien (1893). Aceasta constatare a lui Wien cunoscuta sub legea de deplasare a lui Wien, exprima faptul ca lungimea de unda corespunzatoare maximului curbei de radiatie termica variaza invers proportional cu temperatura absoluta a corpului absolut negru: (figura 6).





Fig. 6. Distributia spectrala a densitatii de energie in cazul corpului absolut negru aflat la diferite temperaturi

Maximul curbei ajunge in domeniul vizibil daca temperatura sursei atinge valoarea de T=3800 K, iar maximul cade in domeniul ultraviolet daca temperatura atinge valoarea de peste 7600 K.

Referitoare la puterea totala radiata a corpului absolut negru urmatoarea lege a fost formulata de Boltzmann si Stefan (1879):

.

Conform legii Stefan - Boltzmann energia totala radiata a corpului absolut negru creste cu puterea patra a temperaturii absolute. Constanta are semnificatia puterii specifice de emisie sau “emisivitatea” corpului absolut negru. Prin urmare densitatea de putere integrala (proportionala cu intensitatea de radiatie I) se poate exprima prin relatia:

.

Intensitatea spectrala se leaga de intensitatea integrala I prin relatia:

care constituie exprimarea faptului ca puterea totala radiata este determinata de radiatiile realizate la toate frecventele de emisie.

In majoritatea cazurilor sursele conventionale de lumina sunt surse de excitatie termica si/sau surse de excitatie electrica, bazate pe descarcarea electrica in gaze rarefiate.

Studiile experimentale au pus in evidenta ca prin cresterea temperaturii corpurilor acestia devin surse termice de lumina. Prin cresterea temperaturii corpului creste puterea de emisie optica, in timp ce maximul curbei de distributie spectrala se deplaseaza catre lungimi de unde mai mici. Cresterea temperaturii corpurilor solide sau lichide determina modificarea culorii acestora de la o nuanta rosie inchisa catre galben deschis si creste ponderea emisiei radiatiilor la lungimile de unda din ce in ce mai scurte, inclusiv in domeniul radiatiei ultraviolete (UV) invizibile pentru ochiul uman. Insa, doar o cantitate redusa a energiei emise corespunde domeniului spectral vizibil, marea parte a energiei emise corespunde domeniului invizibil ultraviolet UV si infrarosu IR.

Prin urmare sursele termice prezinta un randament luminos relativ redus. La evaluarea randamentului surselor de lumina trebuie sa avem in vedere caracteristica de sensibilitate spectrala a ochiului uman. Ochiul uman are sensibilitatea spectrala maxima pentru radiatia verde la lungimea de unda 555 nm, pentru care echivalentul luminos al radiatiei este de 675 lumen/watt.

In calitate de surse artificale de lumina cel mai frecvent sunt folosite sursele termice ale becurilor incandescente. Filamentul de wolfram dublu spiralat aflat intr-un balon de sticla vidat sau umplut la presiune redusa cu gaz inert, este incalzit cu ajutorul curentului electric la o temperatura de cca. 1000 . 3000 K. Dimenisunile firului de wolfram (tungsten), si anume lungimea si sectiunea acestuia, vor determina puterea electrica necesara pentru aducerea la temperatura ridicata, iar temperatura si aria emisiva vor determina valoarea energiei iradiate. Durata da viata a sursei incandescente este limitata de procesul evaporarii firului de wofram aflat la temperatura ridicata. Evacuarea fluxului termic si luminos din balonul de sticla este limitata treptat de condensarea vaporilor de wolfram pe suprafata interioara a peretelui balonului de sticla, ceea ce cauzeaza o scadere suplimentara de cca. 20 % a randamentului luminos!

Eficacitatea luminoasa a izvorului luminos este definita prin raportul fluxului luminos emis raportata catre puterea electrica consumata:

Eficacitatea luminoasa a lampilor incandescente de putere cuprinsa intre 25 W . . 100 W abia atinge valoarea .

In tabelul citat din catalogul produselor Kurt Lesker, Volume 2, Issue3, Aug. 2003, Part. 5 (informatia dupa adresa de Internet: www.lesker.com), sunt specificate date referitoare la randamentul surselor luminoase. Constatam, ca sursele luminoase incandescente cu toate dezvoltarile recente realizate prezinta un randament luminos redus, prin urmare tehnica iluminatului modern necesita surse de radiatii luminoase mai eficiente!

Tabel cu eficienta luminoasa a surselor de radiatii

Tipul sursei de lumina

Eficienta luminoasa (lumen/watt)

Lampa incandescenta cu filament de W

< 20

Cu vapori de Hg (presiune ridicata)

Cu vapori de Hg (fluorescennta la presiune redusa)

Cu vapori de Hg si ioduri metalice (In, Sc, Ta, etc.)

Lampa de sodiu (presiune ridicata)

Lampa de sodiu (presiune redusa)

Sursele luminoase cu emisivitate bazate pe descarcarea electrica in gaze rarefiate beneficiaza de fenomenul excitarii atomilor si moleculelor gazelor pentru emisie radiativa. Fenomenul de excitare are loc in procesul de multiplicare in avalansa a purtatorilor de sarcini electrice si generarea starii de plasma radiativa. In functie de modul de generare a sarcinilor electrice primare, in particular al electronilor originari din catodul tubului de descarcare, distingem procese termoemisive din catod, procese de emisie sub actiunea campului electric intens si procese secundare de emisie sub actiunea bombardamantului ionic asupra catodului.

Sa facem o scurta privire asupra procesului descarcarii electrice in gaze rarefiate!

Fie un tub de sticla prevazut cu doi electrozi metalici introdusi etans la capetele tubului si un racord lateral prin care se poate evacua aerul atmosferic de la presiunea normala de p0 = 760 mmHg (sau p0 = 1,013 105 N·m-2 exprimat in unitati SI) la o presiune redusa de ordinul p ~10-2 mmHg (figura 7).

Fig. 7. Dispozitivul experimental utilizat pentru studiul descarcarii electrice in gaze rarefiate

Inclusiv in gazul rarefiat exista sarcini electrice negative si pozitive datorita ionizatiei determinata de radioactivitatea naturala de fond si prezenta radiatiilor cosmice. Daca se aplica la elecztrozii tubului de descarcare o diferenta de potential continuu sarcinile electrice primare existente in gazul rarefiat se deplaseaza sub actiunea campului electric catre electrozi cu sarcini de semne opuse. Ionii vor fi antrenati catre catodul negativat, iar electronii catre anodul pozitivat.

Particulele accelerate sub efectul lucrului campului electric maresc energia lor cinetica in asa masura incat produc ionizarea prin ciocniri cu atomi ai gazului de umplere. Reamintim ca emisia electronilor secundari din suprafata metalelor poate fi activata prin diverse procese de excitatie. Astfel, prin incalzirea puternica a suprafetei metalelor apare fenomenul emisiei termoelectronice, caracterizata prin dependenta puternica a densitatii curentului emisiei electronice functie de temperatura. De asemenea, emisia electronilor poate fi activata si sub incidenta radiatiilor corpusculare sau a radiatiei electromagnetice de frecventa mai mare decat frecventa de prag a emisiei electronice (emisie radiativa).

Procesul de ionizatie in volumul coloanei de gaz rarefiat decurge in avalansa si are loc o amplificare interna a intensitatii curentului de descarcare, prin care se inchide circuitul electric al sursei de alimentare. Caracteristica I =f(U) curent tensiune prezinta regiuni specifice cu pante de variatie pozitiva, sau regiuni in care panta caracteristicii este negativa (figura 8).

Fig. 8. Caracteristica I =f(U) curent tensiune a descarcarii electrice in gazul rarefiat

In regiunea de descarcare neautonoma intensitatea curentului de descarcare este foarte redusa (de ordinul microamperilor, la o tensiune de accelerare de ordinul miilor de volti!). Dupa tranzitia prin regiunea de descarcare lipsita de luminescenta gazului („descarcare intunecoasa”), ciocnirile ionizante ale electronilor rapizi cu atomi ai gazului de umplere, respectiv emisia electronica secundara la suprafata catodului sub actiunea ionilor bombardanti contribuie la cresterea intensitatii curentului de descarcare (intensitatea curentului de cca. zeci de miliamperi). Functionarea descarcarii in acest regim este numita descarcarea luminescenta normala autointretinuta. Regiunea descarcarii luminescente normala se caracterizeaza printr-o variatie larga a intensitatii curentului electric fara modificarea tensiunii prin care descarcarea este intretinuta. In acest regim de functionare densitatea curentului catodic de descarcare se mentine la o valoare constanta prin extinderea treptata a sectiunii transversale snurului de curent ocupand din ce in ce mai mult suprafata catodului. In momentul acoperirii cu coloana de descarcare in intregime a suprafetei catodului, cresterea intensitatii curentului necesita o crestere semnificativa a tensiunii. Descarcarea normala trece treptat in regiunea descarcarii anormale prin cresterea intensitatii curentului si amplificarea efectelor luminoase care se asociaza unor regiuni din intervalul spatiului dintre catod si anod (figura 8). Prin schimbarea pantei caracteristicii I = f(U) de la o panta pozitiva catre o panta negativa are loc tranzitia in regiunea de descarcare in arc electric. Arcul electric se formeaza in regiunea de panta negativa a caracteristicii unde intensitatea curentului electric creste foarte puternic (ordinul zecilor de amperi la o tensiune de cativa volti!) si plasma descarcarii electrice este autointretinuta preponderent prin electronii emisiei termice din suprafata incinsa a catodului.

Diferenta mare intre masa electronilor si ionilor cauzeaza o mobilitate diferita a acestora si determina formarea in fata catodului unei 'paturi catodice' caracterizata prin campul electric foarte intens. Sub efectul caderii de potential din fata catodului electronii emisiei secundare sunt puternic accelerati prin asanumitul spatiu intunecos catodic. Ionii pozitivi bombardeaza suprafata catodului polarizat negativ (numit si „tinta”) si in urma transferului de impuls din partea particulelor primare incidente catre atomii materialului tintei are loc emisia de particule secundare neutre (atomi si grupuri de atomi “clustere”), respectiv particule cu sarcini electrice (ioni, electroni). Procesul acesta se numeste procesul pulverizarii catodice.

Energia medie a electronilor si a ionilor pozitivi depinde de potentialul tintei 'pulverizate' si de presiunea gazului de descarcare. Potentialul catodului este determinat de tensiunea de accelerare U a sursei cuplate intre anod si catod. Presiunea gazului (exprimata prin relatia cunoscuta din teoria gazelor , unde n este concentratia moleculelor gazului, T este temperatura absoluta) determina valoarea drumului liber mediu l al atomilor si frecventa ciocnirilor ν atomilor gazului. Electronii pierd energie la fiecare ciocnire inelastica, astfel energia lor medie este dependenta si de presiunea gazului. Cu scaderea presiunii gazului scade numarul ciocnirilor ionizante pe unitatea de lungime. Astfel, scade densitatea ionica, ceea ce duce la scaderea fluxului de electroni eliberati in urma ciocnirii ionilor cu suprafata tintei. Descarcarea isi compenseaza aceasta deficienta de sarcina prin cresterea caderii de potential catodic si implicit cresterea coeficientului de emisie electronica secundara.

Efectele luminoase care se asociaza unor regiuni din intervalul dintre catod si anod sunt specifice naturii gazului, distributia zonelor luminoase caracteristice este determinata de presiunea gazului si geometria dispunerii electrozilor. In cazul utilizarii unor electrozi plani paraleli pentru o presiune de cca. p ~1 mmHg a gazului descarcarii se disting clar regiuni luminoase si intunecoase, cu denumiri consacrate (figura 9).

Fig. 9. Prezentarea regiunilor caracteristice cu indicarea denumirilor consacrate pentru descarcarea luminescenta in gaz la presiune joasa

Prin cresterea tensiunii de descarcare aplicata intre catod si anod are loc o excitare a nivelelor energetice superioare, respectiv generarea ionizarilor atomilor prin ciocniri intense intre electronii accelerati si atomii gazului de descarcare. In situatia in care procesul de descarcare devine autonoma, adica se intretin procesele de multiplicare a sarcinilor electrice necesare autonomiei descarcarii, vorbim despre descarcare luminescenta autonoma. Aceasta descarcare se caracterizeaza prin valoarea aproximativ constanta a densitatii curentului de descarcare, adica prin cresterea intensitatii curentului de descarcare creste sectiunea coloanei plasmei de descarcare paralel cu mentinerea tensiunii de ardere.

Cu cresterea in continuare a curentului de descarcare are loc tranzitia in regim de arc electric, caracterizat prin scaderea tensiunii de descarcare si cresterea efectului de termoemisie a electronilor din catodul puternic bombardat de ionii plasmei fierbinte. Energia este radiata atat de catre electrozii aflati la temperatura ridicata cat si de plasma aflata la temperatura cinetica de cca. 4000 . 8000 K.

Tuburile de descarcare cunoscute sub denumirea de tuburi luminescente functioneaza pe baza descarcarii electrice initiate intre electrozi metalici, la o presiune redusa a gazului de umplere. Tensiunea necesara amorsarii descarcarii este cca. 3 . 5 kV, iar tensiunea nominala de ardere cca. 1000 V. Presiunea gazului de umplere poate fi intre p=0,5 . 10 mmHg. Daca gazul de umplere este neon descarcarea are culoarea rosie, pentru gazul de umplere heliu descarcarea are nuanta portocalie, iar prin adaugarea atomilor de mercur, descarcarea in neon capata o nuanta albastruie-alba. Prin folosirea sticlei colorate in calitate de perete al tubului de descarcare, nuanta luminii poate fi arbitrar modificata (figura 10).




Fig. 10. Aspectul constructiv al surselor luminoase moderne: a) tuburi fluorescente, b) tuburi de “neon” cu descarcare luminescenta, c) lampi cu vapori de sodium, d) becuri cu gaz halogen la presiune ridicata, e) becuri cu gaz xenon la presiune ridicata, f) bec cu vapori de Hg la presiune ridicata, g) lampa HID (High Intensity Discharge) de mare putere cu gaz de umplere argon-vapori de mercur aditivate cu ioduri metalice de indiu, taliu sau scandium

Tuburilefluorescente neon” constituie surse de lumina cu randament mai mare decat cele incandescente, atingand valoarea de . Aceste surse de lumina functioneaza pe principiul descarcarii electrice stabilizate in amestecuri de gaze inerte.

Gazul inert de umplere de regula este argonul si descarcarea se initiaza intre electrozi de wolfram preincalziti. In faza de amorsare a descarcarii filamentul de wolfram se incalzeste pentru termoemisia electronilor. Tubul de descarcare contine si o cantitate redusa de Hg pentru generarea unei emisii intense de radiatie UV (linia caracteristica a mercurului la 253,7 nm cade in domeniul ultraviolet), care prin efectul excitatiei substantei luminoforului (luminoforul este un amestec de beriliu cu silicat de zinc, respectiv wolframat de magneziu, etc.) de pe peretele tubului emite radiatii cu compozitie spectrala apropiata cu ceea a luminii naturale.

Cercetarile recente sunt orientate pentru fundamentarea teoretica si realizarea experimentala a unor surse de lumina care prezinta distributie spectrala uniforma. Aceste cercetari au condus la realizarea surselor luminoase de intensitate ridicata, surse tip HID (High Intensity Discharge) care reprezinta plasme de descarcare in amestecul gazului inert argon cu vapori de mercur si ioduri metalice de tipul atomilor In, Sc, Tl, etc. (figura 11g).

In scopuri speciale pentru intensitati luminoase mari au fost dezvoltate surse de lumina prin descarcare de arc electric in gaze la presiune ridicata. Amorsarea unei astfel de descarcari in amestec de xenon si vapori de mercur la presiune ridicata intre electrozii de carbune genereaza o intensitate luminoasa extrem de mare, care poate atinge luminozitatea emisiei Soarelui (1500 cd/mm2, figura 11).

Fig. 11. Distributia luminozitatii in cazul sursei de arc electric amorsat in amestec de vapori Xe-Hg la presiune ridicata, pentru distante de 2,4 mm respectiv 4 mm dintre electrozi de carbune

Aceste surse de lumina din cauza puterii termice ridicate (cca. 2,5 kW) necesita o racire intensiva, ele pot functiona in locuri adecvat protejate pentru evitarea accidentelor. Aceste surse sunt caracterizate prin distributie spectrala caracteristica a vaporilor de mercur excitate la presiuni si temperaturi ridicate.

III. Partea exeprimentala a lucrarii

1. In prima parte a lucrarii va studia emisia optica a diferitelor tipuri de surse luminoase cu excitatie termica, respectiv prin excitarea descarcarii electrice in gaze rarefiate.

Astfel, se va studia radiatia arcului electric amorsat intre electrozi de grafit, lumina becului electric cu filament de wolfram incandescent, lumina diferitelor surse spectrale (tuburi umplute cu gaze inerte si adaos de gaz halogen, vapori de sodiu (Na), vapori de mercur (Hg), respectiv lumina unui laser cu gaz He - Ne Pentru sursele luminoase investigate se vor identifica caracteristicile constructive si functionale (modul constructiv, parametri electrici nominali, natura radiatiei emise). Observatiile si concluziile vor fi documantate in fiecare caz. In cazul utilizarii unor surse luminoase cu emisivitate ridicata, respectiv avand radiatii cu lungimi de unde scurte, se vor folosi filtre atenuante si ochelari de protectie contra radiatiei UV

Caracteristicile spectrale ale surselor investigate se vor studia cu ajutorul spectroscopului cu prisma optica. Spectrele optice observate vor fi identificate pe baza distributiei liniilor caracteristice.

In partea a doua a lucrarii se va studia transmisia selectiva a diferitelor medii optice In acest scop se va utiliza montajului experimental prezentat pe figura 12, folosind filtre interferentiale cu transmisii selective. Filtrele interferentiale sunt caracterizate prin lungimea de unda monocromatica corespunzatoare maximului transmisiei semnalului optic, semilargimea maximului de transmisie , respectiv valoarea factorului de transmisie , care determina valoarea a fluxului energetic spectral.

Figura 13 arata fotografia sistemului de masurare, continand urmatoarele componente: 1. Sursa de radiatie optica; 2. Oglinda sferica concava; 3. Lentila de focalizare a luminii; 4. Montura cu filtre interferentiale F1; 5. Diafragma iris reglabila pentru obturarea fluxului de lumina; 6. Obturator mecanic; 7. Diafragma reglabila tip iris; 8. Montura cu filtre interferentiale complementare F2; 9. Fototraductor de seleniu tip RŐRIX FS, respectiv celula fotoelectrica tip Pressler, alimentata de la o sursa stabilizata de tensiune STS 401; 10. Transformator de alimentare electrica a sursei luminoase; 11. Aparat de masurat pentru semnale electrice.

Se va investiga caracterisitca de transmisie selectiva a diferitelor filtre optice prin identificarea dependentei intensitatii semnalului electric I = f() functie de lungimea de unda a radiatiei transmise. Caderea de tensiune determinata de curentul fotoelectronic prin rezistenta de sarcina inseriata cu fotodetector este inregistrata cu ajutorul unui inregistrator de linie TZ 4100.

Datele masuratorilor vor fi trecute in tabelul de date experimentale. Pe baza datelor experimentale masurate se vor trasa curbele caracteristice de absorbtie spectrala a diverselor filtre investigate.

Nr. crt.

Lungimea de unda

*max

nm

a filtrului F1

Semilargimea maximului de transmisie

nm

Semnalul celulei foto-electrice Pressler mV

Sursa de radiatie investigata

Observatii

Lungimea de unda

*max

nm

a filtrului F2

381 (Mg)

462 (Sr)

510 (Cu)



535 (Tl)

555 (Ba)

592 (Na)

628 (Ca)

673 (Li)

768 (K)

790 (Rb)

792 (Ba)

Fig. 12. Schema optica a montajului experimental: F1 si F2 filtre interferentiale, DI diafragma iris, L lentila convergenta, OM obturator mecanic, O oglinda, FD fotodetector

Fig. 13. Dispozitivul experimental utilizat in vederea studierii caracteristicilor de transmisie selectiva a filtrelor interferentiale




loading...




Politica de confidentialitate


Copyright © 2020 - Toate drepturile rezervate